(57)【要約】【課題】船体外板の曲面形状を熱間加工する際に、三角加熱を自動化できる三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システム及びその方法を提供する。【解決手段】本発明に係る三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成方法は、源中心の移動座標を計算して格納装置のメモリに格納する段階と、前記格納装置のメモリに格納されている座標値を用いて加熱順序を決定する段階と、熱源別にデータベース化された熱源特性情報に応じて熱源の回転加熱を設定する段階とを含む。【選択図】図６
2010017730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成方法であって、
熱源中心の移動座標を計算して格納装置のメモリに格納する段階と、
前記格納装置のメモリに格納されている座標値を用いて加熱順序を決定する段階と、
熱源別にデータベース化された熱源特性情報に応じて熱源の回転加熱を設定する段階と
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記熱源中心の移動座標を計算／格納する段階は、
決定された加熱位置及び三角形状に応じて三角形の３つの頂点にＸ、Ｙ、Ｚの座標値を提供する段階と、
各頂点間の線分の中点（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）、（Ｘｂ、Ｙｂ、Ｚｂ）、（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）を計算する段階と、
加工に用いられる熱源の有効距離又は熱源の半径（ＥＬ）を熱源に応じて適切に調節するために、各頂点に対応する辺に生成された中点を結ぶ線分を１：（Ｎ−１）等分する内分点（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）、（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）、（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）を計算する段階と（Ｎは頂点と中点の距離をＥＬで割った商）、
計算された内分点（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）、（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）、（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）を用いて、（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）、（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）の間のＮ１と、（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）、（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）の間のＮ２と、（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）、（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）の間のＮ３を計算する段階と（Ｎ１〜Ｎ３は各頂点間の距離をＥＬで割った商）、
（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）、（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）と（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）、（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）をＮ１とＮ２のうちの大きい値でＮ等分し、（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）、（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）をＮ３でＮ等分する段階と、
加熱経路の生成時に加熱方向及び加熱順序を決定するために、各辺の等分点をＲＭ１とＲＭｅ、ＢＭ（下辺）などに区分する段階と（Ｍは２、３、４、５…と順次増加する）、
下辺を除いた２つの辺に生成された等分点ＲＭ１とＲＭｅを結ぶ線分のＮ等分点を計算する段階と（ＮはＲＭ１とＲＭｅを結ぶ距離をＥＬで割った商）、
計算された各ＲＭ１とＲＭｅの等分点にインデックスを付与し、上述した熱源中心の移動座標の計算段階で生成された等分点のＸ、Ｙ、Ｚ座標値を前記格納装置のメモリに配列形態で格納する段階と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
各熱源の移動座標の生成時に熱源の重畳加熱効果を実現するために熱源半径を考慮した等分方法を選択することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
前記熱源中心の移動座標を計算／格納する段階と加熱順序決定段階で熱源特性情報の熱源に応じて加工対象物の端部まで加熱作業が行なわれるように座標を計算し、加熱経路を決定することを特徴とする方法。
【請求項５】
三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システムであって、
三角加熱の形状及びその位置を決定するために三角形状に該当する座標の入力を受ける入力装置と、
熱源半径、回転速度及び回転回数などの熱源特性情報が熱源別にデータベース化された熱源特性ＤＢと、
三角加熱の加熱パターン及び経路のデータを生成する演算装置と、
前記データを予め設定されたファイル形式で格納する格納装置と、
三角加熱を行う自動化加熱装置と、
上記格納装置に格納されたデータに基づいて前記自動化加熱装置が三角加熱を行うように制御する制御システムと
を備える生成システム。
【請求項６】
請求項５に記載の生成システムであって、
前記演算装置は、
前記入力装置と前記熱源特性ＤＢからそれぞれ提供された入力値と熱源特性情報に基づいて演算を行い加熱パターン及び加熱経路の生成を数値化して、生成された加熱座標を含む自動化制御変数を前記自動化加熱装置に提供するようにしたことを特徴とする生成システム。
【請求項７】
請求項５に記載の生成システムであって、
前記熱源は、高周波誘導加熱の熱源であることを特徴とする生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システム並びにその方法に関し、さらに詳しくは、船体外板の曲面形状を熱間加工する際の三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成を数値化してアルゴリズム化することによって、三角加熱を自動化できる三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システム並びにその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、船舶の外板、特に曲面外板は、流体力学、構造力学、振動などのエンジニアリング技術に基づいて設計される３次元曲面であり、所定の厚さの鉄板を加工して製作される。曲面外板の加工精度は、船舶全体の性能を左右する。船舶外板の３次元形状の加工は、大きく、プレスやローラなどを用いる機械的な冷間加工と、鉄板にガストーチなどで熱を加えることによる残留熱弾塑性変形を用いる熱間加工とに分けられる。機械的な冷間加工は、制御の便宜性のため、一方向にのみ一定の曲率を有するなだらかで単純な外板の曲面加工や、二重曲面外板の１次加工に主に用いられる。熱間加工は、仕上げ作業、二重曲面外板の２次加工、溶接変形除去などの作業に主に用いられ、１０年以上の熟練者が主に行う難しい作業である。
【０００３】
船舶の曲面外板は、曲面のガウス曲率によって大きくコンケーブ型（ガウス曲率＞０）、サドル型（ガウス曲率＜０）、シリンダ型（ガウス曲率＝０）とに分けられる。また、コンケーブ型は、純粋なコンケーブ型とツイスト（歪み）型とに区分され、大部分の造船業界ではこのような曲面形状に応じて熱間加工方法を異ならせて作業者による手動加熱により最終形状を製作している。
【０００４】
このような従来の熱間加工方法は、大きく、線状加熱法と三角加熱法とに分けられる。
【０００５】
線状加熱法は、船体の外板加工に適用する際に、鋼板の表面に対してガスを主な熱源として直線又は任意の曲線状で加熱し、その後冷却することで、板に曲げを発生させる方法である。線状加熱法による曲げを発生させる原理は以下の通りである。
【０００６】
図１に示すように、局部的に加熱された部分は、温度が上昇するにつれて膨脹し、金属材料の内部に熱応力が発生する。発生した熱応力の分布は、加熱される部分で最も大きく、加熱部から遠くなるほど減少する。一方、熱源は特定の速度で直線移動し、加熱部から両側周辺への熱伝導は不十分であるため、加熱部の両側周辺は比較的低い温度状態を維持する。従って、加熱部の左右及び下部の膨脹変形は拘束され、上部にのみ膨脹して圧縮塑性変形が発生するようになる。このとき、材料の厚さの変化は殆どないと仮定する。熱源が加熱部から遠く離れて、冷却過程に入ると、発生した圧縮塑性変形のために収縮力が発生し、その収縮力により角変形が起こる。このように線状加熱法は、単純な直線形態の加熱位置さえ決定されれば、作業者による手動加熱、及び自動化装置による自動加熱を容易に行うことができる。
【０００７】
一方、三角加熱法、別名、部分加熱法は、鋼板の縁部を局部的に加熱し、その後冷却することで収縮を誘発させる方法である。この方法では、冷却させることで、熱が他の部位に伝達されるのを防ぎ、局部的な面内の収縮を誘導する。加熱表面が三角形に近いことから、三角加熱法と呼ばれる。三角加熱法による収縮変形の原理は以下の通りである。
【０００８】
熱源の移動を非常に遅くする、又は、小さな円を描く形態で加熱すれば、板の厚さ方向に熱が浸透して厚さ方向の温度差が小さくなる。その結果、線状加熱法とは異なり、図２に示すように、表面と裏面の両方が外部へ膨脹する。膨脹部分は、冷却過程で塑性変形が起こるため、元の状態には戻らなくなるが、その他の部分では板の幅方向に収縮が発生する。
【０００９】
このように、三角加熱法の場合は、収縮の目的で鋼材の一定領域及び厚さ方向に多くの熱量を十分に浸透、伝達されなければならない。そのため、もし、熱源の投入量の調節に失敗すると、表面の溶融現象が発生し得る難しい作業であり、現場作業者の手動での加熱に関するノウハウ以外は全く知られていない。
【００１０】
現場作業者が手動で行う三角加熱は、図３に示すようなａ、ｂ、ｃの形状である。このような形状で加熱して収縮を誘発するためは、図４に示すようなＡ、Ｂ、Ｃの加熱パターン及び加熱経路を有するようになり、大半が十分な熱量の投入が容易なＣの方法でウィービング効果を伴う三角加熱を手動で行う。
【００１１】
しかしながら、前述したような三角加熱は、加熱作業が複雑であり、その特性の把握が難しい。そのため、関連研究は全く進められておらず、さらに三角加熱作業の自動化システムのための加熱パターン並びに加熱経路生成の数値化方法及びアルゴリズムの開発は試みられたこともない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、船体外板の曲面形状を熱間加工する際の三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成を数値化してアルゴリズム化することで、三角加熱を自動化できる三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システム並びにその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するための本発明は、三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成方法であって、熱源中心の移動座標を計算して格納装置のメモリに格納する段階と、前記格納装置のメモリに格納されている座標値を用いて加熱順序を決定する段階と、熱源別にデータベース化された熱源特性情報に応じて熱源の回転加熱を設定する段階とを含む方法を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システム並びにその方法によれば、船体外板の曲面形状を熱間加工する際に、三角加熱を自動化できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図５は、本発明の好適な一実施形態による三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システムの構成図である。
【００１７】
図５に示すように、本発明の三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システムは、三角加熱の形状及びその位置を決定するために三角形状に該当する座標が入力される入力装置１００と、熱源半径、回転速度及び回転回数などの熱源特性の情報がデータベース化された熱源特性ＤＢ２００と、開発されたアルゴリズムをプログラム化して演算を行う演算装置３００と、計算された加熱パターンと加熱経路のデータを開発者により定義されたファイル形式で格納する格納装置（メモリ）４００と、出力してディスプレイする出力装置部７００とを備える。出力装置部７００には、プリンタとＬＣＤなどが備えられる。また、格納装置４００には、制御システム５００及び自動化加熱装置６００がネットワークを介して連結されている。制御システム５００は、自動化加熱装置６００を制御して三角加熱を行う。
【００１８】
演算装置３００は、入力装置１００及び熱源特性ＤＢ２００からそれぞれ提供された入力値と熱源特性の情報に基づいて演算を行い、加熱パターン及び加熱経路の生成を数値化し、加熱座標の自動化装置制御変数を自動化加熱装置６００に提供する。
【００１９】
図６は、本発明の三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成方法を説明するためのフロー図である。
【００２０】
図６に示すように、本発明の三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成方法は、熱源中心の移動座標を計算する段階Ｓ１００と、加熱順序を決定する段階Ｓ２００と、熱源の回転を設定する段階Ｓ３００とを含む。
【００２１】
熱源中心の移動座標を計算する段階Ｓ１００について説明する。
【００２２】
まず、決定された加熱位置及び三角形状に応じて三角形の３つの頂点にＸ、Ｙ、Ｚの座標値が提供される（Ｓ１１０）。
【００２３】
続いて、図７に示すように、各頂点間の線分の中点（Ｘａ、Ｙａ、Ｚａ）〜（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）を計算する（Ｓ１２０）。そして、図８に示すように、計算された前記中点のそれぞれを結ぶ線分を１：（Ｎ−１）等分する内分点（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）〜（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）を計算して、内部に新しい三角形状を構成する（Ｓ１３０）。Ｎの値は頂点と中点の距離をＥＬ（ＥＬ：加工に用いられる熱源の有効距離又は熱源の半径）で割った商である。ＥＬは熱源に応じて適切に調節される。
【００２４】
次に、計算された前記内分点（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）〜（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）を用いて、（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）〜（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）の間のＮ１と、（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）〜（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）の間のＮ２と、（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）〜（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）の間のＮ３を計算する（Ｓ１４０）。Ｎ１〜Ｎ３は、前記新しい三角形の頂点間の距離をＥＬで割った商である。
【００２５】
そして、Ｎ１とＮ２のうち、大きい値で（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）〜（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）と（Ｘ１ｃ、Ｙ１ｃ、Ｚ１ｃ）〜（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）をＮ等分し、（Ｘ２ｂ、Ｙ２ｂ、Ｚ２ｂ）〜（Ｘ３ａ、Ｙ３ａ、Ｚ３ａ）はＮ３でＮ等分する（Ｓ１５０）。
【００２６】
次に、加熱経路の生成時に加熱方向及び加熱順序を決定し易くするように、図９に示すように、各辺の等分点をＲＭ１とＲＭｅ、ＢＭ（下辺）に区分する（Ｓ１６０）。Ｍは、２、３、４、５など順次増加する。
【００２７】
続いて、図１０に示すように、下辺を除いた２つの辺に生成された等分点ＲＭ１とＲＭｅを結ぶ線分のＮ等分点を計算する（Ｓ１７０）。Ｎは、ＲＭ１とＲＭｅを結ぶ距離をＥＬで割った商である。
【００２８】
最後に、計算された各ＲＭ１とＲＭｅの等分点にインデックスを付与し、上述した計算段階で生成された等分点のＸ、Ｙ、Ｚ座標値を配列を用いて格納装置４００のメモリに、図１１に示すように、格納する（Ｓ１８０）。
【００２９】
段階Ｓ１００に続く、加熱順序を決定する段階Ｓ２００では、前記格納装置４００のメモリに格納されている座標値を配列順に（１、１）→（２、１）→（２、２）→（３、１）→に加熱順序の提供を受ける。加熱方向を変更したい場合は、配列の順序を並び替えて用いる。
【００３０】
段階Ｓ２００に続く、熱源の回転を設定する段階Ｓ３００では、熱源特性ＤＢ２００から提供された情報に応じて熱源の回転を設定する。段階Ｓ１００で生成された各座標の位置は熱源中心が移動すべき座標に該当するので、熱源が各座標に移動したとき、ウィービング効果を実現するために熱源の回転が行われる。
【００３１】
図１２に示すように、回転速度及び回転回数によって、鋼材に加えられる熱量を制御することが可能になる。従って、鋼材に過度な熱量が加えられて、鋼材の表面で溶融現象が発生することを防止できる。また、熱源の移動中心点を基準にする熱源半径を、熱源の大きさに応じて変更することができる。前記熱源半径は、熱源特性ＤＢ２００にデータベース化しておく。
【００３２】
一方、加熱効率の面でも、各熱源の移動座標の生成時に熱源の重畳加熱効果を実現するために、図１３に示すような熱源半径を考慮した等分方法が選択される。この等分方法は、回転加熱と組み合わされて、収縮変形が十分に発生し得る熱量の投入を可能にし、実際の作業者の手作業による方法と同じ加熱効果を実現できる。
【００３３】
本発明の三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システム並びにその方法によって生成された熱源の移動座標と回転加熱を用いると、目的とする位置及び形状に対する三角加熱作業を自動的に行うことが可能になる。
【００３４】
本発明に係るシステム及方法を実際に適用した例を説明する。図１４は、本発明の三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システムを用いて生成した、４００＊５００＊２９ｍｍ（横＊縦＊厚さ）の鋼板を、２５８＊２５４ｍｍ（下辺＊高さ）の大きさで三角加熱するための加熱パターン及び加熱経路を示している。このとき、熱源特性ＤＢ２００は高周波誘導加熱の熱源の情報を使用し、熱源の直径は５０ｍｍに設定して加熱パターン及び加熱経路を自動で算出した。図１４における各円は、高周波誘導加熱によって加熱される領域を示し、各円の中心点は、本発明の三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システムで求められた熱源中心の移動座標である。全体的に重なる加熱領域が多くなるように、熱源特性ＤＢ２００を活用して、２９ｍｍの鋼材の厚さを考慮して回転回数を決定した。
【００３５】
下記表１には生成された熱源の各位置における移動座標値を示し、図１５は、このような表１の座標値を用いて格納装置４００に格納される三角加熱制御システム用制御ファイルの実際のデータの一例を示す。
【００３６】
【表１】
2010017730.tif 000003
【００３７】
以上のように、本発明による三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システム並びに方法は、熱源の特性をＤＢ化することができ、ガス熱源だけでなく、今後使用が予想される高周波誘導加熱の熱源の特性などを把握して加熱パターンと加熱経路の生成に活用するように実験と有限要素解析を通じてＤＢ化して適用することができる。このような特徴は図１４から確認できるように、加熱される対象物の端部から外れた一部の領域をも加熱領域となるように加熱パターンを生成している。これは高周波誘導加熱の熱源の特性を正確に反映して、目的とする三角加熱形状の通りに加熱が行われるように本発明のアルゴリズムを構成したためである。
【００３８】
本発明は、その応用を通じて三角加熱の多様なパターンを実現できる。即ち、上述した計算過程で適正なＥＬ値を用いた熱源移動座標値の変更、格納装置４００のメモリに配列形態で格納された熱源移動座標値の順序の変更などを通じた加熱順序の変化、各座標における回転加熱以外の形態の座標間移動設定などによって、様々な形態の三角加熱パターン及び加熱経路を生成することができる。その結果、自動化熱間加工システムで用いられる熱源及び加熱パターンに応じて様々な加熱パターンと加熱経路の実現が可能になる。例えば、図４のＡの加熱パターンは、ＥＬ値を小さくして熱源移動座標を生成し、生成された熱源移動座標を特定順序に従って加熱作業を行い、単純移動することによって実現することができる。また、図４のＢの加熱パターンは、ＥＬ値を小さくして熱源移動座標を生成し、配列形態で格納されている座標の順序を三角形の頂点から下辺の方向に設定することによって実現することができる。また、図４のＣの加熱パターンは、上述した実際の適用事例によって実現することができる。
【００３９】
さらに他の例として、図１６に示すような任意の形状の三角形の加熱パターンを生成することもできる。
【００４０】
以上、本発明による三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システム並びに方法を実施するための一実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明による技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】線状加熱時の曲げ変形の過程を示す図である。
【図２】三角加熱時の収縮変形の過程を示す図である。
【図３】三角加熱の加熱形状の例示図である。
【図４】三角加熱パターン及び加熱経路の例示図である。
【図５】本発明の好適な一実施形態による三角加熱の加熱パターン及び加熱経路の生成システムの構成図である。
【図６】本発明のシステムの加熱パターン及び加熱経路の生成方法を説明するためのフロー図である。
【図７】３つの辺の中点計算を説明する図解図である。
【図８】頂点と対応辺の１：（Ｎ−１）等分点の計算を説明する図解図である。
【図９】新しく定義された辺のＮ等分点の計算を説明する図解図である。
【図１０】熱源中心の移動座標で最終生成された等分点を説明する図解図である。
【図１１】生成された熱源中心の移動座標の配列格納図である。
【図１２】熱源の回転加熱によるウィービング効果を示す図である。
【図１３】加熱領域の重畳を示す図である。
【図１４】本発明のシステムを実際に適用した加熱パターン及び加熱経路を示す図である。
【図１５】本発明のシステムで計算されて格納された三角加熱の加熱経路ファイルデータを示す図である。
【図１６】本発明のシステムによって生成した任意の形状の三角形の加熱パターンを出力した出力画面である。
【符号の説明】
【００４２】
１００    入力装置
２００    熱源特性ＤＢ
３００    演算装置
４００    格納装置
５００    制御システム
６００    自動化加熱装置
７００    出力装置
【図１】
2010017730.tif 000004
【図２】
2010017730.tif 000005
【図３】
2010017730.tif 000006
【図４】
2010017730.tif 000007
【図５】
2010017730.tif 000008
【図６】
2010017730.tif 000009
【図７】
2010017730.tif 000010
【図８】
2010017730.tif 000011
【図９】
2010017730.tif 000012
【図１０】
2010017730.tif 000013
【図１１】
2010017730.tif 000014
【図１２】
2010017730.tif 000015
【図１３】
2010017730.tif 000016
【図１４】
2010017730.tif 000017
【図１５】
2010017730.tif 000018
【図１６】
2010017730.tif 000019